Master's Thesis

Friction between DLC coatings in boundary lubrication regime

Final Thesis 6.77 MB

Author of thesis: Bc. Michael Koutný

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Petr Šperka, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jan Čermák, Ph.D., MBA

Abstract:

This diploma thesis deals with the experimental study of the tribological behaviour of DLC coatings under boundary-to-mixed lubrication conditions, with a focus on the effect of fatty acids used as additives in the PEG400 base lubricant. The aim of the thesis was to clarify the influence of the DLC coating type, lubricant composition, operating temperature and surface topography on the coefficient of friction, wear, changes in surface topography and lubricant film formation. The experimental part was carried out using RTEC SMT-5000, PCS MTM and Bruker UMT tribological devices in pure reciprocating sliding and rolling-sliding contact configurations. The work included measurement of the coefficient of friction, evaluation of surface topography changes and wear using optical profilometry, and optical observation of lubricant film formation during tribological testing.
The results showed that the tribological behaviour of DLC coatings is not determined only by the coating type or lubricant, but mainly by their combination with contact kinematics and operating conditions. The addition of fatty acids to PEG400 did not result in a universal improvement of tribological behaviour; however, a more pronounced effect was observed in rolling-sliding contact. For the 100Cr6/a-C:H combination, mixtures containing fatty acids reduced the coefficient of friction by up to 60% compared with pure PEG400. Increasing the temperature to 60 °C was not shown to be the primary factor leading to a further significant reduction in friction. In terms of coating type, hydrogenated a-C:H proved to be the more stable system. In pure sliding, the a-C:H/a-C:H combination achieved approximately two orders of magnitude lower wear than ta-C/ta-C, reaching the level of 10⁻⁹ mm³/N·m. Optical observation of the contact confirmed differences in the ability of individual lubricants to form a lubricant film and supplemented the tribological data with direct information from the contact area. The main contribution of the thesis lies in the comprehensive comparison of identical material and lubricant systems under different kinematic regimes and in linking friction, wear, changes in surface topography and optical observation of lubricant film formation.

Keywords:

DLC coatings, boundary lubrication, fatty acids, coefficient of friction, lubricant film

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své závěrečné práce a zodpověděl následující otázky oponenta: Otázka č. 1: Lze použít mazivo PolyEthyleneGlycol400 v průmyslových aplikacích? A pokud ano za jakých podmínek? Žádám diplomanta, aby uvedl aplikace vhodné a nevhodné pro toto mazivo, a zdůvodnil proč. - ČÁSTEČNĚ ZODPOVĚZENO; Otázka č. 2: Viz obr. 5.3: čím si diplomant vysvětluje, že v některých případech má záběh velký vliv, a někdy nemá vliv na koeficient tření? - ZODPOVĚZENO; Otázka č. 3: Při filtraci literatury pomocí PRISMA diagramu diplomant zúžil výběr na 18 článků. Podle jakých kritérií? - ZODPOVĚZENO; Dr. Čermák: Jak jste přišel na kyselinu boritou? - ZODPOVĚZENO; Dr. Čermák: Jak se do motorového oleje dostává voda/vlhkost? - NEZODPOVĚZENO; Dr. Čermák: Proč zmiňujete pokles viskozity s teplotou? - NEZODPOVĚZENO; Dr. Čermák: Proč je nutné ověřit dlouhodobou stabilitu? - ZODPOVĚZENO; Dr. Čermák: Když máme tlustší film, dochází k "vyhlazování" povrchu? - ZODPOVĚZENO; Dr. Čermák: V jaké oblasti Stribeckovy křivky se nacházíme? - ZODPOVĚZENO; doc. Hajžman: Co vás na práci nejvíce zaujalo? - ZODPOVĚZENO;

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Mechanical Engineering Design (N-KSI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Ivan Mazůrek, CSc. (člen)
doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Michal Hajžman, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Pavel Hutař, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Čermák, Ph.D., MBA (člen)

Supervisor’s report
Ing. Petr Šperka, Ph.D.

Diplomová práce se věnuje aktuálnímu tématu tribologie DLC povlaků s cílem experimentálně popsat vliv modifikátorů tření (mastných kyselin) a provozních podmínek na třecí chování v mezném a smíšeném režimu mazání. Práce zapadá do dlouhodobější snahy o snížení tření a opotřebení u maziv umožňujících dosažení kapalné superlubricity, jako jsou různé polyglykoly či glycerol. Porovnávány byly varianty DLC povlaků a-C:H a ta-C v různých kinematických podmínkách a zařízeních.

Po formální, stylistické i odborné stránce je práce na velmi dobré úrovni. Je logicky strukturovaná a obsahuje kvalitní diskuzi výsledků, ve které student prokazuje dostatečně hluboké porozumění řešené problematice. Autor se v ní zabývá komplexními souvislostmi mezi třením, opotřebením a změnou topografie. Výsledky ukazují, že povlak a-C:H vykazuje stabilnější chování a výrazně nižší opotřebení než varianta ta-C. Práce poskytuje experimentální analýzy s důslednou kontrolou režimu mazání a přináší zjištění zásadních rozdílů v chování modifikátorů tření v kontaktech s plným kluzem a při valení s částečným skluzem.

Během řešení práce student prokázal vysokou míru samostatnosti, pečlivosti a systematického inženýrského myšlení. Dále ukázal inovativnost při vývoji a ladění měřicích metod, v jejichž rámci byly realizovány dvě konfigurace pro optické sledování mazacího filmu. Student musel zvládnout obsluhu několika odlišných experimentálních zařízení a dokázal efektivně zpracovat rozsáhlé množství dat pomocí vlastních skriptů v softwaru MATLAB.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jan Čermák, Ph.D., MBA

Práce se zabývá snižováním tření a opotřebení strojních součástí pomocí DLC povlaků v režimech mezného a smíšeného mazání. Jedná se o experimentální práci, výzkum realizoval diplomant na tribometrech. Jako mazivo použil diplomant PAO6, GMO, PEG400 a glycerol. Jako aditiva byla použita kyselina palmitová, olejová, stearová a boritá. Diplomant se zabývá plným valením i částečným prokluzem. V literární rešerši jsou zastoupeny velmi moderní zdroje z let 2020 až 2024. Pro rešerši použil metodiky PRISMA.

Práce je na velmi dobré úrovni jak odborně, tak úpravou a členěním. Silnými stránkami je přístup diplomanta, rozsah práce, a jasně formulovaný závěr (str. 96 a násl.)

Práce se nesoustředí pouze na měření samotného součinitele tření, ale správně dává do souvislostí topografii povrchu, chemické vlivy prostředí a rychlostní/teplotní závislosti. Je úspěšná i proto, že kromě úsilí diplomanta je zde také silná podpora ze strany ÚK. 
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. 1. Lze použít mazivo PolyEthyleneGlycol400 v průmyslových aplikacích? A pokud ano za jakých podmínek? Žádám diplomanta, aby uvedl aplikace vhodné a nevhodné pro toto mazivo, a zdůvodnil proč.
  2. Viz obr. 5.3: čím si diplomant vysvětluje, že v některých případech má záběh velký vliv, a někdy nemá vliv na koeficient tření?
  3. 2. Při filtraci literatury pomocí PRISMA diagramu diplomant zúžil výběr na 18 článků. Podle jakých kriterií?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová